摘要：近日，麻省理工学院物理系巨龙教授团队报告了一项研究，通过电传输测量，探索了电子温度低至40 mK时菱面体五层和四层石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格的特性。相关成果以「Extended quantum anomalous Hall states in graphen

近日，麻省理工学院物理系巨龙教授团队报告了一项研究，通过电传输测量，探索了电子温度低至40 mK时菱面体五层和四层石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格的特性。相关成果以「Extended quantum anomalous Hall states in graphene/hBN moiré superlattices」为题发表在Nature上，第一作者为博士后路正光，韩同航和姚宇轩(之前为清华大学本科访问生，2024年1月成为莱斯大学博士生)为论文共同第一作者。值得注意的是，在此之前路正光、韩同航合作以共同第一作者已发表了2篇Nature和1篇Science，这是他们合作的第四篇正刊，这是姚宇轩作为访问生在本科期间的第三篇正刊，被称为2D材料堆栈奇才！

拓扑平带中的电子可以在相关效应的驱动下形成新的拓扑态。五层菱面体石墨烯/六方氮化硼 (hBN) 莫尔超晶格被证明在大约400 mK时具有分数量子反常霍尔效应 (FQAHE)，引发了围绕莫尔效应的基本机制和作用的讨论。特别是，已经提出了具有非平凡拓扑的新电子晶体态。

研究发现，在五层器件中，出现了比之前报道多出两个的分数量子反常霍尔态，同时伴随更小的Rxx值。而在新的四层器件中，作者在莫尔填充因子v = 3/5和2/3下观察到FQAH效应。在基础温度和小电流条件下，研究还发现了一种全新的扩展量子反常霍尔态和磁滞现象，其特征是Rxy=h/e2和Rxx的完全消失。这种状态在v从0.5到1.3的宽范围内稳定。然而，随着温度或电流升高，EQAH态逐渐消失，部分转变为FQAH液体。此外，作者还观察到，由位移场驱动的从EQAH态到费米液体、FQAH液体以及可能的复合费米液体的量子相变。

五层和四层石墨烯中的FQAHE

研究展示了在低温条件下（最低至10 mK），菱面体四层和五层石墨烯/六方氮化硼（hBN）莫尔超晶格中观察到的分数量子反常霍尔效应。图1a显示了器件的原理图，其中FQAHE在电子远离莫尔超晶格极化时出现。改进的滤波器使电子温度显著降低，Rxy和Rxx的变化在多个填充因子处表现为量化平台和电阻下降（图1b）。在新开发的四层器件（图1d）中，同样在v=3/5,2/3,1等填充因子下观察到稳定的FQAHE，且Rxx值更低。此外，器件1和2（五层）与器件3（四层）之间的扭转角差异（约0.77°和0.22°）导致电荷密度的不同，可能解释了它们之间分数态数量的差异（图1c）。这些结果与理论预测一致，进一步确立了hBN莫尔超晶格作为FQAHE材料家族的重要地位，为拓扑量子态的研究提供了新的视角。

图1 | 菱形五层和四层石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格器件中的FQAHE。

EQAH状态

图2展示了设备1在不同条件下的关键特性，揭示了三个区域的独特行为（图2a, b）。区域1以菱形覆盖v=1/2附近，区域2从v=0.55延伸至v=0.9，区域3则涵盖v=0.93至v=1.03。这些区域包括一个显著的反常霍尔区，连接了低v下的绝缘区域（可能为维格纳晶体）和分数量子反常霍尔（FQAHE）区域。在低温（10 mK）下，Rxx在v=0.5–1.3范围内几乎完全消失，而Rxy呈现宽平台（图2c, d）。在四层器件中，区域2和3的特性合并，Rxy平台扩展至v=1.3，显示了与传统FQAHE不同的行为。图2e, f 中的磁滞数据进一步证实了这些量化状态的存在，这些状态被命名为扩展量子反常霍尔态。EQAH不依赖于底层莫尔超晶格，并覆盖了比任何FQAHE更广的范围，显示出其作为新拓扑电子态的普遍性和重要性，为拓扑物理的研究提供了全新视角。

图2 | 器件1（五层器件）中的EQAH状态。

电流引起的EQAH状态击穿

图3展示了EQAH状态在不同电流激励下的行为。通过施加直流电流并叠加微小交流电流，研究发现，当电流逐渐增加至2.3 nA时，Rxy的宽平台（图3a）和Rxx的零电阻状态（图3b）逐渐消失，转变为类似高温条件下的特性曲线。这表明，高电流激励会削弱EQAH状态，使其被FQAH液体所取代。与温度升高不同，电流增加引发了非单调变化：Rxx在某些填充因子下先升后降，而Rxy则出现类似的非单调行为（图3a, b）。在两个典型EQAH状态中（图3c-f），Rxx在低电流下保持为零，但在临界电流时出现峰值，与此同时，Rxy从稳定值突然跳变。这种阈值行为在高温下消失，电阻特性趋于稳定。这种现象与超导体的临界行为和陈绝缘体的击穿特性类似，但EQAH状态的击穿机制与传统陈绝缘体截然不同，展现了其独特的非线性电流响应特性。

图3 | 器件1（五层石墨烯/六方氮化硼器件）中EQAH态的分解。

D诱导的相变

位移场D是调节石墨烯平带物理的重要因素，通过微调D可以影响不同基态之间的竞争（图4a, b）。在特定的D范围内，观察到的电阻行为与EQAH态一致，其中R xy呈现量化平台，R xx降至零，表明从复合费米液体（CFL）到EQAH再到谷极化费米液体的量子相变。进一步研究显示，这种平台仅在低温和小电流条件下出现，而CFL态则不显示这种依赖性（图4c-f）。此外，EQAH态下的击穿仅发生在低温，而高温下则保持稳定（图4g, h），这明确区分了EQAH和CFL的本质差异。在某些分数填充因子（如v=3/5,4/7,5/9）下，位移场还能够诱导从EQAH到FQAH或费米液体的相变（图 4i-n）。基础温度下，这些相变呈现为R xy的量化平台，而高温会导致EQAH态消失，转变为其他态，具体取决于D和温度的变化。进一步调整D还能引发相变至费米液体或维格纳晶体。这些结果表明，位移场不仅是调控拓扑量子态的重要工具，还能实现复杂的相变调节。

图4 | 从EQAH状态到CFL和FQAH液体的相变。

小结

本研究表明，EQAH态是一种全新的拓扑电子相，零磁场下表现出量子化的电阻特性（图1, 图2），并具有明显的温度和电流依赖性。EQAH态可能由两种机制形成：一是类似量子反常霍尔晶体（QAHC），通过莫尔条纹调制能带结构和贝里曲率分布而稳定；二是类似高磁场下的重入量子霍尔效应（RQHE），由量子霍尔液体和拓扑平凡的维格纳晶体共同贡献。EQAH态的独特之处在于它发生在零磁场下，并且覆盖较宽的填充因子范围，显著区别于传统量子霍尔态和陈绝缘体。尽管EQAH态可能与电子晶体有关，其零磁场下的存在仍是前所未见的现象。未来实验可以通过晶格测量或噪声分析进一步验证其电子晶体特性。这一发现为探索QAHC和拓扑电子态提供了新机会，揭示了前所未有的物质状态。

--高分子科学前沿

来源：Future远见